Ранее: Теодор Сведберг и существование молекул
В истории физики есть интересный эпизод, когда отношение физиков к реальности атомов и молекул радикально поменялось в течении примерно десяти лет. В конце 19-ого — в самом начале 20-ого века статус молекулярно-кинетической теории оставался на уровне полезной гипотезы. Cтатусу-кво в физике сводился к подчеркиванию гипотетического характера теории, а разногласия касались лишь вопроса о (бес)полезности таких представлений. Ситуация решительно поменялась после первого Сольвеевского конгресса 1911 года, когда сомнения в реальности атомов стали признаком альтернативной науки.
Ниже будут использованы материалы из книги Смита и Сета ‘Броуновское движение и действительность молекул‘ — название книги идет от названия большой статьи Жана Перрена 1909 года (перевод на русский в 1912 г.). В произошедшей трансформации взглядов физиков теория броуновского движения (Эйнштейн, Смолуховский, Ланжевен) и эксперименты Перрена сыграли немалую роль, в то же время нельзя упускать из внимания другие теоретические и экспериментальные работы.
Как обычно, можно увидеть разные объяснения произошедшего. Есть точка зрения, что к концу 19-ого века накопилось достаточно данных для признания реальности молекул и что это не происходило только под влиянием философии позитивизма. В рамках это позиции признается появление новых экспериментальных данных и новых теоретических построений, но считается, что они мало что меняли. Представителем такой позиции является известный историк молекулярно-кинетической теории Стивен Браш (Steven Brush) — ниже идет несколько его высказываний:
‘В течение следующих нескольких лет он [Перрен], похоже, посвятил большую часть своего времени популяризации значимости своей работы по броуновскому движению, в частности идеи о том, что теперь доказано существование атомов. В этом он на удивление преуспел. На самом деле, готовность ученых поверить в «реальность» атомов после 1908 года, в отличие от прежнего упорства в их «гипотетическом» характере, весьма удивительна.’
‘Доказательства, представленные экспериментами Перрена и других ученых по броуновскому движению, кажутся довольно неубедительными по сравнению с тем, что уже было доступно из других источников. Тот факт, что можно было определить число Авогадро и заряд электрона еще одним методом, вряд ли кажется достаточным для оправдания столь глубоких метафизических выводов. Несколько независимых методов определения этих параметров были известны с 1870 года или ранее, не говоря уже о многочисленных успехах кинетической теории в предсказании свойств газов.’
‘Ретроспективно, кажется очевидным, что критика кинетической теории в этот период была мотивирована в первую очередь не техническими проблемами, такими как удельная теплоемкость многоатомных молекул, а скорее общей философской реакцией против механистической или «материалистической» науки и предпочтением эмпирических или феноменологических теорий в противовес атомным моделям.’
С другой стороны, можно рассмотреть случившийся переход с точки зрения собственно науки без привлечения философских предпочтений физиков. Такая точка зрения выражена в статье ван Фраассена и она использована в книге Смита и Сета. Речь идет про эмпирическое обоснование теории физики (empirically grounded); на основе работ Германа Вейля в качестве такового ван Фраассен использует критерии определимости и соответствия:
‘Определимость: любой теоретически значимый параметр должен быть таким, чтобы существовали условия, при которых его значение могло быть определено на основе измерений.’
‘Соответствие, которое имеет два аспекта:
– Относительность к теории: это нахождение теоретического параметра может и, как правило, должно быть сделано на основе теоретически установленных связей.
– Уникальность: величины должны быть «однозначно скоординированы», должно быть соответствие в значениях, определенных различными способами.’
В рамках такой позиции к концу 19-ого века оценки числа Авогадро сильно отличались друг от друга и таким образом согласно критерию ван Фраассена молекулярно-кинетическую теорию нельзя было признать эмпирически обоснованной. Ситуация существенно изменилась за первое десятилетие 20-ого века. Отличие в значении числа Авогадро, определенного разными методами, перед первой Сольвеевской конференцией составляло менее 10%:
- Использование заряда электрона и числа Фарадея;
- Излучение черного тела — теория Планка;
- Эксперименты с альфа-частицами;
- Эксперименты Перрена по броуновскому движению — три разных метода.
В этом отношении есть выразительное высказывание Анри Пуанкаре, сделанное в 1912 году:
‘Многочисленные согласия между результатами, полученными совершенно различными способами, упрочивают наше убеждение [подтверждение атомистических идей]. Еще очень недавно считали себя счастливыми, видя, что найденные числа [Авогадро] имеют одинаковое число цифр; тогда даже не требовали, чтобы первая значащая цифра была та же; сейчас эта первая цифра найдена, и что особенно замечательно, так это то, что пользовались самыми разнообразными свойствами атома.’
В книге Смита и Сета приведено немало высказываний других ученых того времени, которые подтверждают рассмотрение ван Фраассена. Например, Вильгельм Оствальд в 1907 году аналогичным образом обосновывал статус гипотезы для молекулярно-кинетической теории (ср. с критерием ван Фраассена):
‘Мы имеем дело с гипотезой, когда выражения или обозначения величин встречаются в формуле, посредством которой должны быть представлены некоторые физические соотношения, но которые невозможно наблюдать и измерить и которые мы не можем заменить никаким определенным и эмпирически определяемым значением.’
Через два года в 1909 году Вильгельм Оствальд признал реальность молекул; интересно отметить, что он в том же году получил Нобелевскую премию по химии.
Важно отметить, что в 1907 году Эйнштейн предложил теорию теплоемкости кристаллов на основе квантования движения гармонического осциллятора. Это открыло путь к разрешению разногласий с экспериментальными значениями теплоемкостей в молекулярно-кинетической теории. Экспериментальные измерения теплоемкостей в лаборатории Вальтера Нернста (Арнольд Ойкен и др.) подтвердили теорию Эйнштейна теплоемкостей для твердых тел. Измерения низкотемпературных темлоемкостей газов из двухатомных молекул показали, что вращательные степени свободы при понижении температуры «замораживаются» и остается только теплоемкость, соответствующая поступательным степеням свободы.
В целом развитие науки идет разными путями и роль философских соображений при выборе учеными той или иной позиции невозможно отбросить. Тем не менее, в случае изменения отношения к атомной гипотезе вполне прослеживается линия, связанная с эмпирическим обоснованием теории. В любом случае Стивен Браш явно недооценил значение роли новых теорий, новых измерений и достижения хорошего согласия между значениями числа Авогадро, полученных в разных экспериментах.
Вполне возможно, что роль экспериментального изучения броуновского движения в этом переходе переоценена. В книге Смита и Сета хорошо разбираются эксперименты Перрена и следовавшие их них выводы. В пользу броуновского движения, конечно, свидетельствует наглядность результатов. Так, Перрен сделал фильм, показывающий движение частиц, и этот фильм пользовался большой популярностью. С другой стороны, число Авогадро в экспериментах Перрена было систематически завышено на величину порядка 10% по сравнению с величинами в других экспериментах, результаты которых ближе к современному значению. Причина этого отклонения так и осталась неизвестной.
В заключение отмечу, что для ван Фраассена эмпирическое обоснование молекулярно-кинетической теории не связано напрямую с признанием реальности атомов и молекул. В определенной степени это идет от философской позицией ван Фраассена — конструктивный реализм, но в случае броуновского движения такое заключение достаточно просто обосновать. Теория броуновского движения построена в рамках классической физики, а по иронии судьбы признание атомизма в начале 20-ого века было связано с отказом от использования классической механики на молекулярном уровне.
Молекулярно-кинетическая теория возникла в рамках наглядных представлений атомизма 19-ого века о сталкивающихся между собой бильярдных шарах. Квантование энергии в теории излучения черного тела и в теории температурной зависимости теплоемкости заставило отказаться от такого представления; атомизм 19-ого века бесповоротно ушел в прошлое. Молекула стала представляться в виде энергетического спектра — попробуйте создать наглядное представление газа, в котором вместо бильярдных шаров используются энергетические спектры.
Атомизм 20-ого века основан на использовании квантовой механики, в которой отсутствует наглядная картина мира процессов на молекулярном и атомном уровне. По-моему, это является одной из причин современных обсуждений среди ряда физиков интерпретации квантовой механики. В то же время, никто из участвующих в обсуждении не сомневается, что квантовая механика эмпирически обоснована — критерий ван Фраассена выше в отношении квантовой механики полностью выполнен.
Обсуждении химической связи наилучшим образом показывает проблему ‘наглядность vs. реалистичность’ в современной квантовой физике. Никто не будет спорить, что квантовая механика объясняет химическую связь и строение молекул и что это объяснение эмпирически обосновано. В то же время невозможно совместить наглядность изображения химической связи с реалистичным представление поведения электронов в молекулах. В учебниках химии можно увидеть наглядные изображения молекулярных орбиталей, но согласно квантовой химии они являются всего лишь вспомогательными функциями при решении уравнении Шрёдингера; в этом смысле молекулярные орбитали однозначно не соответствуют реальности. Другой вариант обсуждения химической связи связан с рассмотрением электронной плотности — где электронная плотность больше, там химическая связь прочнее. Однако, вопрос реальности электронной плотности упирается в существование электронной волновой функции, а этот вопрос как раз заводит в метафизические дебри обсуждения физиков по поводу интерпретации квантовой механики.
Информация
George E. Smith and Raghav Seth, Brownian Motion and Molecular Reality, 2020.
В книге использован принцип эмпирического обоснования теории физики из статьи ван Фраассена:
Bas C. van Fraassen, The perils of Perrin, in the hands of philosophers, Philosophical Studies 143 (2009): 5-24.